永磁同步电机在拖动系统中的应用与降噪

范超+余以兵

[摘 要]21世纪，科学技术飞速发展，高新技术不断涌现，资源口益减少，人们对节电、环保意识口益增强，使得传统的电励磁电机受到了挑战，同时也为新型永磁电机提供了发展机遇。与传统的电励磁电机相比，永磁同步电机有效率高、功率因数高、体积小，材料利用率高，重量轻等特点，具有不可比拟的优点。因此，近年来，随着永磁材料的性价比提高，以及电力电子技术的进步，永磁电机的发展也受到了各方关注。

[关键词]永磁同步电机；电磁设计；降噪

中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0318-01

一：永磁同步电机应用与电磁设计

1.1永磁同步电机的运行分析

永磁同步电机调速系统中，最关键的问题就是实现电动机瞬时转矩的高性能控制。对于永磁同步电机系统的要求可归纳为：响应快、精度高、转矩脉动小、系统效率和功率因数高等。对永磁同步电机的输出转矩的控制可归结为对交轴电流和直轴电流的控制。交、直轴电流的不同组合，将影响控制系统的效率、功率因数及转矩输出能力等。如何根据给定的转矩来确定交轴电流和直轴电流，实际上就是对定子电流矢量控制的问题。

1.2永磁电机的电磁设计

（1）永磁电机的磁路设计

磁路设计是根据对磁场的要求，合理地选择磁路的参数和材料，设计出工艺上可行、特性满足要求、经济性好、能充分发挥材料性能的磁路。一般的设计过程是：首先根据磁路特性的要求，初步确定磁路的大致结构，确定各部分磁路的尺寸和材料，然后采用合适的计算方法计算磁路特性。若计算结果与性能要求之间的误差在允许范围内，则磁路设计成功完成；否则要重新调整磁路尺寸或材料，直至得到合理的磁路。

电励磁电机的磁路设计己相当成熟，永磁电机与其区别主要在永磁体的设计与计算，因此永磁同步电机磁路设计关键在于永磁材料的选择和工作点的设计。

（2）永磁体的选择

由于永磁体及其性能的多样性，如何选择合适的永磁体材料及尺寸直接关系到电机的性能和经济性。永磁体选择应满足以下要求：永磁体在规定的工作空间内能产生所需要的磁场；永磁体所产生的磁场有一定的稳定性，能承受工作环境温度而不发生不可接受的变化；具有良好的力学性能和可工艺性；

（3）永磁体的设计

永磁体的形状通常与所选择的磁极结构有关，永磁同步电动机的转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适应场合也不同。目前有以下几种结构：表面式转子磁路结构、内置式转子磁路结构、爪极式转子磁路结构、复合励磁转子磁路结构，考虑电梯设备的特殊情况，我们选用了表面式转子磁路结构，并将电机结构设计成外转子，这样永磁体位于转子铁心的内表面上，永磁体提供磁通的方向为径向。由于永磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构，这种转子结构：具有结构简单、制造成本较低等优点，表面式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近正弦波的磁极形状，可以显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。

（4）永磁同步电机的磁路分析

磁路计算的目的是在己知永磁体性能和磁路尺寸条件下，求解永磁体工作图的各项数据，并根据永磁体工作图调整磁路尺寸，以保证磁路的合理设计。

永磁体向外磁路所提供的总磁通中可分为两部分，一部分与电枢绕组匝链，称为主磁通（即每极气隙磁通）中；另一部分不与电枢绕组匝链，称为漏磁通中二。相应地将永磁体以外的磁路（以后称为外磁路）分为主磁路和漏磁路，相应的磁导分别为主磁导和漏磁导。稀土永磁同步电动机实际的外磁路比较复杂，分析时可根据其磁通分布情况分成许多段，再经串、并联进行组合。主磁导和漏磁导是各段磁路磁导的合成。

二.永磁同步电机的噪声分析

2.1 电磁噪声的抑制措施

电机的电磁噪声是由于气隙中电磁径向力引起电机机座振动造成，因此电磁噪声的抑制主要措施为：

1降低电磁径向力

（1）适当增大定子气隙，降低气隙磁导，从而降低气隙谐波磁场，由于径向力与气隙磁场的平方成正比，于是即能降低电磁径向力。

因此永磁同步电机气隙值取得较大。

（2）定子齿采用斜槽，有效地削弱谐波磁场，从而降低电磁径向力，降低电磁噪声。

（3）采用分数槽绕组，削弱感应电势的高次谐波分量，从而减小纹波转矩。

（4）定子绕组采用合适的并联支路数，减少电机磁路不均匀的影响，降低不平衡电磁拉力，从而降低电磁噪声。

2降低电机表面振动量

电机表面的振动量除直接与径向力的大小有关外，还与径向力波次数及频率有关，同时与电机的结构及其刚度有关。上节主要讨论了降低径向力大小来降低电机振动，本节则从提高电机结构件刚度来降低电机表面振动量。

（1）将电机结构件的固有频率与电磁主要径向力频率错开；

（2）采用合适结构，提高机座刚度，如在机座表面增加一定数量的散热筋，既可以改善电机冷却效果，也可提高机座刚度。

3降低声辐射效率

根据圆柱体表面在径向振动时辐射的声强，与无限大平面以同样频率、同样振幅振动时辐射声强的比值，若取平面振动体声强作为基准值，则该比值可以认为是相对声辐射效率。相对声辐射效率随下列值而变化：

（1）振动模数m（即径向力波次数）；

（2）电机表面有效半径；

（3）电机长一径比。

结语：由于永磁体的高磁能积和高矫顽力，使得永磁同步电动机具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点，成为新一代电机的重要发展方向。但是由于永磁同步电动机结构复杂多样，媒质交界面曲直交错，永磁材料的磁特性为各向异性，使得永磁同步电动机的设计变得比较复杂，计算准确度比较差；另外，永磁同步电动机中一些特殊的电磁过程和一些专门问题如磁极结构形状与尺寸的优化、永磁体的齿槽转矩对电机的影响等都是设计的难点。目前，永磁同步电动机的设计方法己成为国内电机界研究的热点。在构建节能型社会的进程中，高性能的永磁同步电动机因其高效节能的性能将有着巨大的市场潜力。如何设计出成本较低，性能较高的永磁同步电动机也将成为电机界研究的热点。

参考文献

[l] 唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京：机械工业出版社，1997， 40-158

[2] 张炳义，冯桂宏，王凤翔.SPWM电源供电下低速大扭矩永磁同步电动机设计研究.电工技术学报，2001， 16（6）： 85-90

作者简介

范超（1991-），男，汉族，四川乐山，单位：广东工业大学2014级研究生，研究方向：控制科学与工程。

余以兵（1991-），男，汉族，籍贯：湖北荆州，单位：广东工业大学2014级研究生，研究方向：控制科学与工程。